J. Kita 等人：用陶瓷基片的高溫氣體傳感器的熱導率和電阻率

【引言】

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置。氣體傳感器是化學傳感器的一大門類。從工作原理、特性分析到測量技術，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應用領域。

【成果介紹】

J.Kita 等人認為在氣體傳感器和高溫流量傳感器領域，陶瓷厚膜結構起著關鍵的作用，特別是在惡劣的環境中。它們的基材必須是電絕緣的和具有化學惰性的。陶瓷基板，尤其是氧化鋁基板，通常被認為是理想的傳感器基板。然而，它們的電阻率和它們的化學惰性都不夠理想。甚至，熱導率也具有溫度依賴性，在建模溫度曲線時必須考慮它。在這方面，測量了用于氣體傳感器襯底的氧化鋁和LTCC陶瓷的兩種相關材料在室溫和800℃ 之間的電阻率和熱導率。在這項研究中，用激光閃光設備（LFA1000 Laser Flash，Lin-seis，Selb，德國）測定導熱率。此外，暴露于NO₂的未涂覆的叉指結構在300℃下時的電阻數據表明，底物和NO₂之間的反應可能發生。

【圖文導讀】

圖1：以熱板形式的陶瓷氣體傳感器基板的示例。叉指電極可以被功能性氣敏薄膜覆蓋。

圖2：96%和99.99%的氧化鋁基板的熱傳導率的溫度依賴性。（T）很近似地擬合了函數方程（1），根據以下參數：對于99.99% Al₂O₃，B＝141.43 W/（m·K），T_d＝147.44 K，B₀=9.43 W/（m·K），以及對于96% Al₂O₃，B＝50.97 W/（m·K），T_d＝220.27 K和B₀＝7.79 W/（m·K）。這些函數被繪制成曲線。

圖3：兩種市售LTCC材料導熱系數的溫度依賴性詳見正文。測量點，畫出的直線是線性擬合的。

圖4：比較結構與陶瓷熱板的溫度分布，如果該結構是以恒定的熱導率=29W/（m·K）（虛線）模擬的，并且具有與溫度有關的行為，根據方程式（1）在B＝141.43W/（m·K），T_d＝147.44 K和B₀＝943W/（m·K）（實線）。

圖5：比較了溫度梯度對結構的影響。（a）具有恒定的熱導率為29 W/(m·K)的模擬；（b）具有溫度相關特性（參見圖4）。

圖6：96%氧化鋁在不同溫度下的阻抗譜的例子。插補：用于擬合的等效電路由電阻和恒定相位元件（CPE）組成，它們被布置為兩個并聯電路。

圖7：電阻率為96%和99.99%的氧化鋁和LTCC基板的溫度函數。插圖顯示了示例設置。

圖8：由未涂覆的99.6%氧化鋁在350℃下以響應環境中不同濃度的還原和氧化氣體的電阻值（點）阻抗數據計算。實線顯示由紅外光譜確定的傳感器室的出口濃度。

文中的導熱率測定是使用LINSEIS設備LFA1000 Laser Flash所測。林賽斯導熱儀LFA 1000具有高度模塊化設計，提供的采集速率，18樣品同一環境測量，三種不同的可更換爐體（-125℃到2800℃）和兩種檢測器，還有高真空設計（10^-5mbar）.

LINSEIS對導熱儀系列分析儀器提供模塊化設計，可以升級溫度范圍（更換爐體/測量系統）和檢測器（InSb/MCT）。讓用戶可以先采用經濟的解決方案然后在預算允許或測量目標需要時升級系統。為用戶節省更多的更換儀器費用且享受更的服務。如果您對LINSEIS導熱儀系列感興趣，來詢